低渦影響下的西北地區(qū)東部暴雨個(gè)例分析

馬曉華，馬 青，屈麗瑋，黃少妮，劉菊菊，潘留杰

(1.陜西省氣象臺(tái)，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象實(shí)驗(yàn)室，西安 710016；3.眉縣氣象局，陜西眉縣 722300)

陜西地處青藏高原東北側(cè)，受高原大地形、秦巴山區(qū)及黃土高原等地形的影響，該地氣候和天氣異常復(fù)雜，暴雨災(zāi)害是夏季陜西地區(qū)最重要的氣象災(zāi)害之一[1-2]。研究表明，副熱帶高壓、低槽、500 hPa切變線、高原渦、西南渦、中低層低渦切變線、遠(yuǎn)距離臺(tái)風(fēng)為西北地區(qū)東部暴雨的發(fā)生、發(fā)展提供了有利的天氣背景[2-10]；但是，受不同尺度天氣系統(tǒng)的作用和陜西復(fù)雜地形的影響，不同暴雨過(guò)程中低渦發(fā)展演變過(guò)程復(fù)雜多變，隨著加密自動(dòng)站、高分辨率衛(wèi)星和雷達(dá)等新型觀測(cè)資料的應(yīng)用，低渦暴雨過(guò)程中低渦及相應(yīng)物理量演變特征等仍需進(jìn)行深入研究。因此，本文以2019 年8 月2—4日的一次低渦影響下的西北地區(qū)東部暴雨過(guò)程為例，綜合分析該過(guò)程中低渦形成的環(huán)流條件、結(jié)構(gòu)特征以及相應(yīng)物理量特征與低渦暴雨關(guān)系，以期為提高陜西暴雨天氣的預(yù)報(bào)水平提供參考。

2019 年 8月 2-4 日，受低渦向東北移動(dòng)影響，陜西省出現(xiàn)了一次自西南向東北的大范圍強(qiáng)降水天氣過(guò)程。本文利用常規(guī)氣象觀測(cè)資料、 陜西區(qū)域自動(dòng)站觀測(cè)資料、多源融合逐小時(shí)0.05°×0.05°格點(diǎn)降水資料、 NCEP 1°×1°再分析資料和衛(wèi)星探測(cè)資料等，采用常規(guī)診斷分析方法，重點(diǎn)研究低渦引發(fā)暴雨的機(jī)制以及相關(guān)物理量作為暴雨預(yù)報(bào)的指示作用。

1 過(guò)程概況

受低渦影響，2日08時(shí)至4日08時(shí)陜西關(guān)中北部、陜北等地出現(xiàn)大范圍強(qiáng)降雨，全省區(qū)域站監(jiān)測(cè)表明共100個(gè)區(qū)(縣)1 767站出現(xiàn)降雨，其中43站累計(jì)雨量超過(guò)100 mm，最大降雨量為商南余家臺(tái)滑坡站為225 mm，289站超過(guò)50 mm(圖略)。從24 h格點(diǎn)降水實(shí)況分布可見(jiàn)降雨量大值區(qū)與低渦移動(dòng)路徑基本一致， 2—3日(圖1a) 降雨落區(qū)主要位于甘肅與陜西交界地區(qū)，隨著低渦東北移，3—4日(圖1b) 強(qiáng)降雨移至陜北地區(qū)，24 h累積降雨量超過(guò)100 mm。由于此次降雨強(qiáng)度大、時(shí)間長(zhǎng)以及影響范圍廣等特點(diǎn)，故選取對(duì)陜西影響程度比較大的時(shí)段來(lái)探討低渦不同演變時(shí)期產(chǎn)生降水的物理機(jī)制。

圖1 2019-08-02T08—03T08(a)和2019-08-03T08—04T08(b)累計(jì)降雨量(單位為mm)

2 高空環(huán)流及低渦特征

2日20時(shí)500 hPa天氣圖上，歐亞中高緯度維持兩低一高環(huán)流形勢(shì)(圖2a)，貝加爾湖以北地區(qū)為弱脊控制，巴爾喀什湖北部維持一個(gè)強(qiáng)大的低壓中心，是這次暴雨過(guò)程中冷空氣的源地，低壓底部分裂的短波槽位于巴爾喀什湖以東、貝加爾湖以西，短波槽攜帶冷空氣進(jìn)入河西走廊，在高原東側(cè)堆積。中緯度副熱帶高壓呈帶狀分布，主體位于海上，西脊點(diǎn)位于120°E、34°N附近。在高原東側(cè)有明顯高空槽，陜西處于槽前西南氣流中，高原槽東移，槽前正渦度平流造成低層減壓，有利于低層低渦環(huán)流形成。低緯度地區(qū)2019年第7號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋帕”位于廣西省北海市南部近海，中心附近最大風(fēng)力為9級(jí)，向西緩慢移動(dòng)且逐漸減弱。700 hPa上，甘南地區(qū)有氣旋性環(huán)流形成，其東側(cè)平?jīng)稣撅L(fēng)速較大，偏南風(fēng)達(dá)18 m/s，陜西受312 dagpm線外圍的一致南風(fēng)影響。850 hPa陜西中南部以偏東風(fēng)為主，在偏東風(fēng)的阻擋下， 陜西上游降雨系統(tǒng)移速較慢。3日08時(shí)500 hPa高空槽加強(qiáng)，受副高阻擋，高空槽前氣壓梯度增強(qiáng)，偏南風(fēng)明顯增大。受高層正渦度平流影響，700 hPa上氣旋性環(huán)流發(fā)展(圖2b)，已形成低渦，低渦向東北方向移動(dòng)，中心位于延安西側(cè)。臺(tái)風(fēng)“韋帕”外圍東南氣流向西北地區(qū)東部伸展，在低渦冷切變東側(cè)形成了低空急流，西安站風(fēng)速達(dá)18 m/s。急流的建立不僅將北部灣水汽向河套地區(qū)輸送，同時(shí)急流左前側(cè)輻合區(qū)有利于低渦加強(qiáng)，也有利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展。850 hPa上冷空氣已經(jīng)到達(dá)漢中，加劇了低層空氣的不穩(wěn)定。3日白天高空槽進(jìn)一步緩慢東移且加深發(fā)展，20時(shí)500 hPa高空槽前西南氣流明顯增大。受西南氣流引導(dǎo)，700 hPa低渦繼續(xù)向東北方向移動(dòng)，中心位于橫山一帶。此時(shí)850 hPa在陜北榆林地區(qū)有暖切變形成，暖切變走向與700 hPa低渦暖切變走向相垂直。可見(jiàn)此時(shí)低渦發(fā)展深厚，強(qiáng)度最強(qiáng)。隨后的12 h低渦移速加快，迅速移出陜西地區(qū)，4日白天陜北地區(qū)降水也逐漸結(jié)束。

圖2 2019-08-02T20 500 hPa高空?qǐng)D(等值線為位勢(shì)高度，單位為dagpm)及2019-08-02—04低渦中心移動(dòng)動(dòng)態(tài)圖(低渦右側(cè)的數(shù)字標(biāo)注為低渦存在的時(shí)間，前兩位為日期、后兩位為時(shí)次)(a),2019-08-03T08 700 hPa高空?qǐng)D(等值線為位勢(shì)高度，單位為dagpm)(b)

從以上描述和分析可以看出，由于副高位置穩(wěn)定少動(dòng)，受其阻擋，500 hPa中緯度地區(qū)呈現(xiàn)西低東高的形勢(shì)，500 hPa高空槽及700 hPa低渦切變對(duì)此次降水形成有重要作用。陜西主要受槽前西南風(fēng)控制，引導(dǎo)低渦向東北方向移動(dòng)，低渦切變區(qū)容易形成輻合上升運(yùn)動(dòng)，為暴雨的產(chǎn)生提供了系統(tǒng)性動(dòng)力抬升條件，強(qiáng)降雨主要發(fā)生在低渦前部東南和西南氣流交匯處。

3 物理量場(chǎng)診斷分析

3.1 水汽條件

水汽是強(qiáng)降水天氣過(guò)程的重要條件之一，因此水汽的輸送和輻合區(qū)域集中情況值得關(guān)注。由整層水汽通量及水汽通量散度分布(圖3) 可知，此次降水的主要水汽通道有兩支，2—3日水汽來(lái)自廣西北部灣，經(jīng)云貴高原、四川盆地等地將暖濕空氣向陜西北部輸送，與偏北干冷氣流交匯，從而在西北地區(qū)東部產(chǎn)生較強(qiáng)降水，3—4日水汽來(lái)自副高外圍偏東南暖濕氣流。

圖3 2019年8月整層大氣水汽通量 (箭頭，單位為g/(m·s)) 及水汽通量散度(陰影區(qū)，單位為g/(m2·s))(a 2日20時(shí)，b 3日08時(shí)，c 3日20時(shí)，d 4日08時(shí))

2日20時(shí)(圖3a)，第7號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋帕”位于21.3°N、109.3°E附近，且以每小時(shí)5～10 km的速度從廣西沿海向偏西方向移動(dòng)，其外圍偏東南氣流一直向內(nèi)陸輸送水汽，該偏南水汽通道在陜南關(guān)中地區(qū)形成了中心值達(dá)-5 g/(m2·s)的水汽輻合中心，為西北地區(qū)東部的暴雨過(guò)程提供了水汽和能量。水汽通量值大于4 000 g/(m·s)區(qū)域正好對(duì)應(yīng)甘肅東部及陜西西部強(qiáng)降水。3日08時(shí)臺(tái)風(fēng)“韋帕”繼續(xù)西北行(圖3b)，水汽輸送大值中心區(qū)4 000～5 000 g/(m·s)向東北方向移到關(guān)中北部及陜北南部地區(qū)，該地區(qū)處于強(qiáng)的水汽輻合大值區(qū)，整個(gè)3 000 g/(m·s)以上區(qū)域與降水落區(qū)對(duì)應(yīng)良好，水汽輸送大值中心疊加強(qiáng)輻合區(qū)使黃龍站出現(xiàn)了49.3 mm/6 h的強(qiáng)降水。08—14時(shí)水汽輸送帶進(jìn)一步東北上，陜西地區(qū)水汽輸送大值區(qū)中心強(qiáng)度增強(qiáng)到6 000～7 000 g/(m·s)，且一直伴隨著強(qiáng)水汽輻合，延安志丹站出現(xiàn)了58.5 mm/6 h強(qiáng)降水。3日20時(shí)副高西伸北抬(圖3c)，臺(tái)風(fēng)西行減弱，外圍通往西北地區(qū)東部的水汽通道斷裂，副高外圍東南氣流繼續(xù)向陜西地區(qū)輸送水汽，水汽輸送帶東移到陜西與山西交界處，且伴有水汽輻合，陜北黃河沿線多站6 h降雨量達(dá)35～50 mm。該水汽輸送帶維持到4日02時(shí)之后(圖3d)，2 000 g/(m·s)以上的水汽通量通道東移出陜北地區(qū)，全省降水結(jié)束。

因此大氣整層水汽通量及水汽通量散度在本次低渦暴雨預(yù)報(bào)中具有一定的意義，水汽通量的突增對(duì)應(yīng)降水的增強(qiáng)，水汽通量大值中心疊加強(qiáng)水汽通量輻合區(qū)對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水落區(qū)。

本次暴雨天氣發(fā)生發(fā)展維持與低渦的生成發(fā)展及移向密切相關(guān)，因此從渦度平流及溫度平流的角度分析低渦移向。

3.2 渦度平流

2日20時(shí)(圖4a)，700 hPa低渦位于甘肅東部，在低渦東北部有正渦度平流中心，正渦度平流向東北方向移動(dòng)，低渦中心東北部氣旋性渦度增加，配合高層的輻散，造成低渦東北部為強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)，低渦中心向東北移動(dòng)發(fā)展。3日08時(shí)(圖4b)，低渦中心移到甘肅、寧夏及陜西三省交界處，在低渦東部、北部存在正渦度平流，最強(qiáng)渦度平流達(dá)70×10-10s-2，引導(dǎo)低渦東移北抬。3日20時(shí)700 hPa 低渦位于榆林西部(圖4c)，在陜北存在中心為40×10-10s-2的正渦度平流區(qū)，正渦度平流向東北方向移動(dòng)， 低渦中心繼續(xù)向東北方向發(fā)展增強(qiáng)。3日夜間到4日(圖4d)，隨著正渦度平流向東北傳播，低渦快速移出陜北地區(qū)。

圖4 2019年8月500 hPa渦度平流(單位為10-10s-2)及700 hPa風(fēng)場(chǎng)(a 2日20時(shí)，b 3日08時(shí)，c 3日20時(shí)，d 4日08時(shí))

3.3 溫度平流

分析溫度平流(圖5，見(jiàn)第6頁(yè))可以發(fā)現(xiàn)，2日20時(shí)在低渦東北部有值為9×10-5℃/s的暖平流中心，暖平流可使低壓東北部減壓，低層產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)，受中高層西南引導(dǎo)氣流影響，低渦中心向東北方向移動(dòng)。3日 08時(shí)，在低渦東北部存在暖平流中心，受中高層西南氣流引導(dǎo)，低渦繼續(xù)向東北方向移動(dòng)。3 日 20時(shí)，700 hPa 低渦位于榆林西部，在低渦東北部有12×10-5℃/s的強(qiáng)暖平流中心，進(jìn)一步使低渦中心向東北移動(dòng)。值得注意的是在低渦的西部出現(xiàn)值為-8×10-5℃/s的冷平流中心，這種強(qiáng)烈的冷暖平流導(dǎo)致低渦附近斜壓不穩(wěn)定，低層等壓面下降和較強(qiáng)的輻合抬升，從而低渦除了繼續(xù)向東北方向移動(dòng)外，還進(jìn)一步增強(qiáng)發(fā)展。4日08時(shí)，低渦中心移出陜西榆林地區(qū)。因此對(duì)流層低層熱力因子，即溫度平流對(duì)低渦的移動(dòng)有引導(dǎo)作用，并且能使低渦進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)[11]。對(duì)比了低渦中心位置與未來(lái)12 h降水落區(qū)，發(fā)現(xiàn)未來(lái)12 h強(qiáng)降水中心位于低渦東北側(cè)，低渦移過(guò)的區(qū)域就是降水區(qū)，可見(jiàn)溫度平流在對(duì)低渦移動(dòng)路徑方面有良好預(yù)報(bào)指示作用。

圖5 2019年8月700 hPa溫度平流(等值線，單位為×10-3 ℃/s)、風(fēng)場(chǎng)及未來(lái)12 h降雨量(陰影區(qū)，單位為mm)(a 2日20時(shí)，b 3日08時(shí)，c 3日20時(shí)，d 4日08時(shí))(文見(jiàn)第4頁(yè))

3.4 能量及不穩(wěn)定條件

低渦向東北方向移動(dòng)引發(fā)的榆林及延安北部強(qiáng)降水具有明顯的強(qiáng)對(duì)流性質(zhì)。3日08時(shí)延安探空?qǐng)D(圖略)上，700 hPa 以下為東南風(fēng)，以上西南風(fēng)，有暖平流結(jié)構(gòu)，利于低渦環(huán)流發(fā)展，近地面到500 hPa為不穩(wěn)定層。3日白天CAPE值、K指數(shù)由579.5 J/kg、37.2 ℃躍增到1 365.3 J/kg、40.2 ℃，SI指數(shù)由0.01 ℃降為-2.68 ℃(圖6a，見(jiàn)第6頁(yè))，大氣處于極不穩(wěn)定狀態(tài)， 只要有觸發(fā)機(jī)制，便可觸發(fā)對(duì)流。從20時(shí)風(fēng)場(chǎng)的變化可以清楚看出，整層大氣均為西南氣流，表明隨著低渦向東北方向移動(dòng)，延安地區(qū)已處于暖切變的暖區(qū)一側(cè)。3日白天700 hPa假相當(dāng)位溫表明(圖6b，見(jiàn)第6頁(yè))，從四川盆地有高能舌伸向陜西地區(qū)，陜北有明顯能量梯度，能量梯度區(qū)對(duì)應(yīng)低渦暖切變區(qū)，表明此處為能量集中區(qū)，大氣層結(jié)極度不穩(wěn)定，為強(qiáng)降水極其有利的條件。

圖6 2019-08-03T20延安探空(a)和700 hPa假相當(dāng)位溫(b，單位為℃)(文見(jiàn)第4頁(yè))

4 濕位渦

濕位渦是一個(gè)能綜合反映大氣動(dòng)力、熱力和水汽性質(zhì)的物理量，廣泛用于暴雨診斷分析中[12]。對(duì)流層上層高位渦向下伸展時(shí)，分裂的高值擾動(dòng)促使中低層氣旋渦度發(fā)展，導(dǎo)致強(qiáng)降水發(fā)生。3日08時(shí)過(guò)低渦中心的濕位渦剖面圖(圖7a，見(jiàn)第7頁(yè))可知，受副高影響，陜西上空被偏南氣流控制，大氣低層呈現(xiàn)出明顯的對(duì)流不穩(wěn)定狀態(tài)，在低渦上空700～500 hPa有中心為0.3 PVU(1 PVU=10-6m2·K/(s·kg))正位渦中心，700 hPa以下為負(fù)位渦區(qū)。濕位渦隨高度呈正負(fù)疊加分布，表明冷空氣以高值位渦的形式向下輸送，疊加在低層暖濕空氣上，加快了低層不穩(wěn)定能量的釋放，使對(duì)流不穩(wěn)定更加旺盛。3日20時(shí)(圖7b，見(jiàn)第7頁(yè))低渦109°E上空，大氣對(duì)流不穩(wěn)定性加強(qiáng)，同時(shí)在低渦西側(cè)，有明顯冷空氣入侵，700 hPa附近有中心為0.9 PVU正位渦中心，同時(shí)在低渦東側(cè)對(duì)流層中高層的濕位渦正值向下延伸，氣柱拉伸，低層大氣氣旋性渦度增強(qiáng)，有利于低渦加強(qiáng)、上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展，向高層輸送水汽能量，從而有利于暴雨的發(fā)展。

圖7 過(guò)低渦中心濕位渦(等值線，單位為PVU)、假相當(dāng)位溫(陰影，單位為K)及風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)桿，單位為m/s)緯向剖面圖(a 2019-08-03T08，b 2019-08-03T20)(文見(jiàn)第5頁(yè))

5 衛(wèi)星云圖

在由FY-2G氣象衛(wèi)星反演得到的TBB時(shí)間演變圖(圖8)上，3日08:00，河套地區(qū)為一條逗點(diǎn)型云帶。整個(gè)云帶以層狀云為主，云帶中夾雜著中小尺度對(duì)流云團(tuán)，結(jié)構(gòu)松散；云帶的TBB值多低于-36 ℃，最低達(dá)-60 ℃；云帶可分成兩塊，北部呈圓形的低渦云系，南部呈帶狀的高空槽云系。 與6 h累積降雨量對(duì)比發(fā)現(xiàn)， 3日凌晨強(qiáng)降水主要是由南部的高空槽云系造成，云團(tuán)A云頂亮溫低至-60 ℃，造成了漢中佛坪熊貓谷134 mm/6 h的降水。云團(tuán)B、C經(jīng)過(guò)的區(qū)域也出現(xiàn)了20～70 mm/6 h降水，此時(shí)陜北地區(qū)降水不強(qiáng)，強(qiáng)度為10～15 mm/6 h。隨后4 h隨著低渦向東北方向移動(dòng)，高空槽云系中的云團(tuán)A、B、C合并成線狀，北部圓形的低渦云系結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，中心夾雜著中小尺度對(duì)流云團(tuán)，冷云主體對(duì)流發(fā)展極盛，tBB≤-52 ℃ 的冷云蓋面積增大，云團(tuán)TBB梯度大值區(qū)雨強(qiáng)約30～70 mm/6 h。16:00南部的云系有所減弱，關(guān)中、陜南地區(qū)的降水也明顯減小，陜北地區(qū)低渦云系在該時(shí)段強(qiáng)度維持，且冷云中心緩慢向東北方向移動(dòng)，云團(tuán)中心移過(guò)的區(qū)域均出現(xiàn)了30～60 mm/6 h降雨。20:00北部云團(tuán)和南部線狀云帶有所分離，北部低渦云團(tuán)范圍有所減小，tBB≤-52 ℃ 的冷云蓋面積較之前縮小，強(qiáng)降水局地性更強(qiáng)，低渦冷云蓋中心移過(guò)的區(qū)域出現(xiàn)了30～80 mm/6 h降水。20:00之后北部低渦云系中有新生對(duì)流云團(tuán)D生成，在之后6 h內(nèi)，云團(tuán)D經(jīng)歷了快速發(fā)展、加強(qiáng)、減弱，造成了榆陽(yáng)縣巴拉素鎮(zhèn)124 mm/6 h強(qiáng)降雨。4日04:00之后整個(gè)降水云系移出陜西，全省降水結(jié)束。

圖8 2019-08-03—04FY-2G紅外云圖TBB演變(單位為℃)

6 小結(jié)

(1)500 hPa低槽緩慢東移，中緯度副熱帶高壓穩(wěn)定維持，這樣的高空形勢(shì)有利于北方弱冷空氣與來(lái)自副高外圍的偏南氣流在河套地區(qū)相遇，為此次低渦暴雨提供有利條件。

(2)大氣整層水汽通量及水汽通量散度在本次低渦暴雨預(yù)報(bào)中具有一定的意義。水汽通量的突增對(duì)應(yīng)降水的增強(qiáng)，水汽通量大值中心疊加強(qiáng)水汽輻合區(qū)對(duì)應(yīng)強(qiáng)降水落區(qū)。500 hPa正的渦度平流使低渦移動(dòng)并發(fā)展，對(duì)流層低層熱力因子溫度平流對(duì)低渦移動(dòng)路徑方面有良好預(yù)報(bào)指示作用，冷暖平流導(dǎo)致低渦進(jìn)一步發(fā)展加強(qiáng)，渦度平流和溫度平流對(duì)本次低渦暴雨的發(fā)展和移動(dòng)有很好的指導(dǎo)意義，未來(lái)12 h強(qiáng)降水落區(qū)移動(dòng)路徑與低渦中心移動(dòng)路徑有直接關(guān)系。

(3)對(duì)流層上層高位渦向下伸展，分裂的高值擾動(dòng)可促使中低層氣旋渦度發(fā)展，有利于低渦加強(qiáng)，對(duì)流層中低層700 hPa附近上正下負(fù)的分布形態(tài)促進(jìn)了不穩(wěn)定能量的釋放， 有利于低渦暴雨的發(fā)生。

(4)衛(wèi)星云圖上表現(xiàn)為逗點(diǎn)型云帶，整個(gè)云帶以層狀云為主，北部橢圓云形與低渦系統(tǒng)對(duì)應(yīng)良好，南部線狀云帶對(duì)應(yīng)切變線系統(tǒng)。